单层石墨烯薄膜拉伸变形的分子动力学模拟

采用Tersoff势对锯齿型(Zigzag)和扶手椅型(Armchair)单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,得到薄膜应力-应变演化关系,初步研究了其拉伸破坏变形机制。模拟结果表明：驰豫后的二维石墨烯薄膜并非完美的平面结构,表面不完全平整,出现类似波纹状褶皱。模拟计算得到锯齿型和扶手椅型石墨烯薄膜的杨氏模量分别为1031.36GPa和1058.42GPa,与文献报道结果一致。石

第2 5卷第 4期 21 0 0年 8月 文章编号： 10—8 7 2 1 )40 6 -6 0 782 (0 0 0 - 1 2 0

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单层石墨烯薄膜拉伸变形的分子动力学模拟韩同伟 贺鹏飞 王健吴艾辉，,,( .江苏大学理学院，苏镇江 2 2 1 1江 10 3; 2 .同济大学航空航天与力学学院，海 2 09;上 0 0 2 3 .贝尔法斯特女王大学机械与宇航工程学院贝尔法斯特 B 95 H英国 ) T A

摘

要：采用 T ro势对锯齿型( izg和扶手椅型( r hi) esf Zga ) A mca单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分 r

子动力学模拟，到薄膜应力一得应变演化关系，初步研究了其拉伸破坏变形机制。模拟结果表明：驰豫后的二维石墨烯薄膜并非完美的平面结构，面不完全平整，现类似波纹状褶皱。模拟计算得到锯齿型和扶手椅型石墨烯薄表出

膜的杨氏模量分别为 1 3 .6 P和 1 5 .2 P, 0 13 G a 0 84 G a与文献报道结果一致。石墨烯薄膜在拉伸载荷作用下，薄膜边缘六角元胞首先转变为五角元胞形成缺陷，随着应变增大缺陷增多，一键逐渐断裂，终导致薄膜破坏。碳碳最

关键词：石墨烯； 单层薄膜；拉伸力学性能；分子动力学中图分类号： T 2 . 1 T 8 B17 1 B 3 3文献标识码： A

1前言 石墨烯 ( rp ee是由单层六角元胞碳原子构 G ah n )

纳米尺度下材料力学性能研究的重要手段之一。笔者以单层石墨烯薄膜为研究对象，用分子动力学采方法，对锯齿型和扶手椅型单层石墨烯薄膜在拉伸

成的蜂窝状二维晶体，0 4年由曼彻斯特大学的 20K. .N v slv和 A. S o oe o K.Ge小组首先发现¨, i m

载荷作用下的变形及破坏问题进行了计算机数值模拟，到了石墨烯薄膜的应力一变演化关系，初得应并步探索了其拉伸破坏变形机制，旨在为纳米材料与纳米器件设计提供一定的理论依据。

被认为是石墨、纳米管 ( N、碳 C T)富勒烯 ( 6 ) C 0等碳的同素异

形体的基本结构单元 J。单层石墨烯的成功制备¨, 引发了新的碳质材料的研究热潮。石

墨烯是一种禁带宽度几乎为零的半金属/导体材半料，表现出奇特的电学性质，有优异的电子输具

2物理模型及模拟方法2 1单层石墨烯薄膜模型 .完美的石墨烯是由单层六角元胞碳原子构成的蜂窝状二维晶体，中碳一键长大约为 0 1 2 m。其碳 .4 n模拟中选用的锯齿型和扶手椅型石墨烯的结构如图1所示，型尺寸分别为 6 6 5 × .2 0 m,模 .7 n 4 9 0 3m n 6 6 20n×4 9 1 m,子个数分别为 1 1, . 4 m . 7 n原 0 3 213 0。 2

运性能、常的量子霍尔效应。和分数量子异。 霍尔效应 _…。石墨烯纳米晶体管的成功制备¨ 8 预示了石墨烯是未来纳米电子器件极有前景的材料¨。与此同时，石墨烯的力学性能等基础和应对用研究，是前沿科学家的研究热点之一。F n 也 ag Lu等¨ i利用第一原理计算法预测了石墨烯的理想强度。 C a g u L e等¨利用原子力显微镜 hng e

(F ) A M纳米压痕实验研究了单层石墨烯薄膜的弹性和断裂强度。C. i¨ L等和 A.S k aeP u¨ 1 ah e—o r 7利用分子结构力学研究了石墨烯薄膜的弹性性质和

2 2模拟方法及过程 .

分子动力学计算的一个关键问题是原子势函数的选取，直接决定着模拟的精度。适用于共价键其体系使用最广泛的势函数为 T ro势函数 _ l因 esf 2, 0其为三体势函数，较为真实地模拟共价键材料能

弯曲力学行为。但利用分子动力学方法研究石墨烯薄膜的力学性质却鲜见报道¨ 。

基于分子动力学方法的计算机数值模拟可以弥补计算量子力学的局限和具体实验方法上的不足， 并可以从原子、分子层次考察结构和材料的特性，是收稿日期：0 90 -0:修回日期：00 8 3 2 0 -72 21- - 0 0

( C,iG,i等 )如 S, e SC晶体的力学性质。因此笔者在进行分子动力学模拟时选择 T r f势函数。 es f o

基金项目：苏大学高级人

才科研启动基金 (0 D 0 4;海市科委基础研究重点项目基金 ( 9C114 0 .江 1J G 3 )上 0J 440 ) 通讯作者：鹏飞，授 .Emal p 2 2 tnj.d .n贺教— i h3@ o gie uc:作者简介：同伟 (9 9一)男，韩 17,山东人，士，师，博讲主要研究方向为微/米力学 .E—ma:whn j.d .n纳 i t a@use u c l